XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)研制及應(yīng)用

楊文新，曹立明，王建剛，王斌虎，李培江

（1.新疆油田公司井下作業(yè)公司，新疆克拉瑪依834000；2.江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠，湖北荊州434000） ＊

XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)研制及應(yīng)用

楊文新1，曹立明2，王建剛1，王斌虎1，李培江1

（1.新疆油田公司井下作業(yè)公司，新疆克拉瑪依834000；2.江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠，湖北荊州434000）＊

為滿足沼澤、沙漠及井位密集地區(qū)的小修作業(yè)要求，加快生產(chǎn)進(jìn)度，開發(fā)了一種車載自走式無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井設(shè)備。介紹了其結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。目前該設(shè)備已在新疆油田得到廣泛應(yīng)用。

桅型井架；風(fēng)載繃?yán)K；修井機(jī)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)石油鉆采設(shè)備研制能力的迅速提升，車載自走式修井設(shè)備已形成系列化生產(chǎn)，提升載荷300～2 250kN，技術(shù)性能已達(dá)到國(guó)際同行業(yè)先進(jìn)水平。

車載自走式修井設(shè)備配備的井架基本為桅型井架，作業(yè)時(shí)需要在井架頂部四角安裝4根風(fēng)載繃?yán)K，并與地錨樁連接固定，每個(gè)地錨樁沿繃?yán)K方向承拉能力＞75kN。由于沼澤、沙漠、丘陵、山地及井位非常密集的井場(chǎng)沒(méi)有位置或無(wú)法打地錨樁，需要使用吊車、平板車吊運(yùn)水泥條代替地錨樁。這樣不僅耗資、耗力，而且由于地錨坑受力有限，作業(yè)安全無(wú)法保障。

為了適應(yīng)沼澤、沙漠及井位密集地區(qū)的作業(yè)需要，在保證作業(yè)安全的條件下，達(dá)到方便操作、降低作業(yè)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率的目的，研制了一種XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)，配備了風(fēng)載穩(wěn)定裝置，省略了挖繃?yán)K錨坑、打地錨樁、水泥條搬運(yùn)等耗資、耗力、耗時(shí)的工序，減少了作業(yè)前準(zhǔn)備工作量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)解決了作業(yè)時(shí)井架過(guò)度偏載或整車側(cè)翻的隱患。

1 結(jié)構(gòu)組成

該修井設(shè)備包括井架、底盤車、車架、發(fā)動(dòng)機(jī)、支撐座、傳動(dòng)系統(tǒng)、絞車、支架、司鉆控制箱等，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其重要特征在于其風(fēng)載穩(wěn)定裝置設(shè)在修井機(jī)尾部的車架上。

圖1 XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)

為了能更好地監(jiān)測(cè)修井機(jī)作業(yè)時(shí)的受力狀況，在修井機(jī)車架前部的支撐座和活動(dòng)支腿上設(shè)有傳感器，通過(guò)電纜與司鉆控制箱上的智能電子警示儀連通。修井機(jī)作業(yè)前，首先調(diào)整車架前后支撐座及液壓小底座，將整機(jī)調(diào)平；接著展開防側(cè)翻支架至與車架垂直的位置，安裝固定支撐桿與車架相聯(lián)，形成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整絲桿可調(diào)整支撐座的高度；然后起升井架到直立狀態(tài)后通過(guò)定位銷與井架底座相聯(lián)，調(diào)整內(nèi)載荷繃?yán)K，使內(nèi)載荷繃?yán)K受一定預(yù)緊力；最后根據(jù)整機(jī)實(shí)際平衡情況在智能電子警示儀上設(shè)定支腿上傳感器的安全數(shù)據(jù)值即可進(jìn)行作業(yè)，當(dāng)任一支撐受力變化超過(guò)設(shè)定值范圍時(shí)智能電子警示儀立即發(fā)出聲光警示。

2 主要技術(shù)性能指標(biāo)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)油田實(shí)地調(diào)研：作業(yè)井深約1 000 m、作業(yè)載荷在300kN以內(nèi)的占較大份額，作業(yè)環(huán)境風(fēng)速一般在4～5級(jí)以下。根據(jù)以上調(diào)研，首先確定了無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)工作的額定載荷為300kN，考慮到修井機(jī)在作業(yè)過(guò)程中有可能發(fā)生卡管等工程事故，為了能保證修井機(jī)正常解封、解卡作業(yè)，在修井機(jī)額定載荷的基礎(chǔ)上增加了1.95的載荷安全系數(shù)，即修井機(jī)最大載荷為585kN。而無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)主要用于修井作業(yè)，因此在最大鉤載作業(yè)下，使用?63.5mm（2英寸）加厚油管的修井深度為2 600m，其各項(xiàng)技術(shù)性能參數(shù)如下：

修井深度 2 600m（?63.5mm加厚油管）

額定載荷 300kN

最大鉤載 585kN

發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率 216kW

井架高度 18m（從地面到天車底部）

游動(dòng)系統(tǒng) 3×4

底盤驅(qū)動(dòng)形式 6×6

具有傾斜報(bào)警功能，能夠?qū)崿F(xiàn)一體化作業(yè)。

3 技術(shù)難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)采用18m桅桿式井架，桅桿式井架向井口方向有3～5°的傾角。因此，如何確保作業(yè)時(shí)整機(jī)的安全、可靠性是研制的難點(diǎn)及關(guān)鍵之處。

3.1 整體結(jié)構(gòu)受力合理性

桅桿式井架作業(yè)提升管柱時(shí)將產(chǎn)生沿井架垂直向下的外力，會(huì)導(dǎo)致修井機(jī)沿井架方向的縱向傾倒，同時(shí)當(dāng)修井機(jī)作業(yè)時(shí)還受到兩側(cè)方向的外在風(fēng)力，目前修井機(jī)完全依靠4根風(fēng)載繃?yán)K來(lái)平衡所有外力，當(dāng)取消4根風(fēng)載繃?yán)K的作業(yè)工況下，為滿足修井作業(yè)要求進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1） 井架底座的設(shè)計(jì) 井架底座是由4根立柱及型材焊接而成的一個(gè)側(cè)面呈矩形、水平方向呈“門”字形的結(jié)構(gòu)架。其中2個(gè)立柱下端焊接在車架上，上端與桅型井架下端通過(guò)鉸支座活動(dòng)聯(lián)接；另外2個(gè)立柱上端與桅型井架下端活動(dòng)聯(lián)接，下端聯(lián)接液壓小底座。液壓小底座是1個(gè)整體式的矩形塊，其上設(shè)有1對(duì)可液壓升降的支腿，用于調(diào)整車架水平，并承受井架在3～5°的傾角時(shí)提升載荷產(chǎn)生的垂直向下力，提高防傾翻能力。

2） 側(cè)向支座設(shè)計(jì) 在車架尾部的兩側(cè)通過(guò)活動(dòng)鉸支座聯(lián)接了2個(gè)帶活動(dòng)支腿的防側(cè)翻支架，其采用型鋼焊接而成，支架可繞銷軸展開、收攏，活動(dòng)支腿是一個(gè)帶調(diào)整絲桿的支撐座。支架展開時(shí)安裝固定支撐桿，與支架、車架相聯(lián)形成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，增大側(cè)向穩(wěn)定力矩，抵消井架作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向不平衡力。防側(cè)翻支架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 防側(cè)翻支架結(jié)構(gòu)

3.2 整機(jī)安全可靠性

1） 側(cè)后翻警示裝置。為了解決修井機(jī)在無(wú)防風(fēng)繃?yán)K的情況下能安全、可靠地工作，在修井機(jī)前后支腿增加了壓力傳感器，在司鉆控制臺(tái)上設(shè)置了電子報(bào)警裝置，嚴(yán)密監(jiān)控各液壓支腿的支反力變化情況，如有異常，提前及時(shí)報(bào)警。

2） 多種工況作業(yè)時(shí)所產(chǎn)生的變化外力對(duì)整機(jī)的影響。采用美國(guó)結(jié)構(gòu)軟件公司的StruCAD＊3D三維空間梁結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件對(duì)無(wú)繃?yán)K修井機(jī)進(jìn)行作業(yè)工況受力計(jì)算。受力支撐點(diǎn)如圖3所示。

XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)在4種工況下的受力計(jì)算如下：

工況1：最大鉤載585kN，0°方向（從車頭向車尾方向）35節(jié)風(fēng)（8級(jí)）。

工況2：最大鉤載585kN，90°方向（從車左右側(cè)垂直車身方向）35節(jié)風(fēng)（8級(jí)）。

工況3：0°方向最大風(fēng)速60節(jié)（12級(jí)），無(wú)鉤載。

工況4：90°方向最大風(fēng)速60節(jié)（12級(jí)），無(wú)鉤載。

不同工況及載荷下建模計(jì)算結(jié)果如表1～2所示。

圖3 無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)各受力支撐點(diǎn)

表1 4種工況下各液壓支腿受力支撐點(diǎn)支反力 kN

表2 在4種鉤載工況下各液壓支腿受力支撐點(diǎn)支反力 kN

1） 在4種工況下，前部支點(diǎn)A、B所受地面支反力全部為正值，這說(shuō)明在4種工況和4種鉤載作業(yè)下，XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)在施工作業(yè)工程中前橋不會(huì)離開地面，也說(shuō)明修井機(jī)不會(huì)向后傾翻。

2） 在4種工況下，旋轉(zhuǎn)式防側(cè)翻裝置支點(diǎn)C、D所受地面支反力全部為正值，這說(shuō)明在4種工況和4種鉤載作業(yè)下，XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)在施工作業(yè)工程中修井機(jī)防側(cè)翻裝置2個(gè)支撐點(diǎn)都不會(huì)離開地面，也說(shuō)明修井機(jī)在4種工況下作業(yè)時(shí)不會(huì)向左或向右傾翻。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)（如圖4）投產(chǎn)第1年施工67口井，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其立放井架所用時(shí)間進(jìn)行測(cè)時(shí)并取平均值，再通過(guò)與普通同級(jí)別修井機(jī)進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)

該設(shè)備與同級(jí)別普通修井機(jī)作業(yè)時(shí)間對(duì)比如表3所示。

表3 無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)作業(yè)時(shí)間對(duì)比

由表3可以看出：由于無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)不需要打地錨樁和調(diào)節(jié)繃?yán)K距離，相比普通同級(jí)別修井機(jī)，立放井架速度大幅加快，每口井可節(jié)約時(shí)間約41min，加快了施工進(jìn)度，提高了作業(yè)效率，同時(shí)大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

由于無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)不需要調(diào)節(jié)繃?yán)K距離和打地錨樁，相比普通同級(jí)別修井機(jī)，立放井架速度大幅加快，每口井可節(jié)約41min，在相同工況下每年可節(jié)約作業(yè)時(shí)間：41×270＝11 070min＝184.5h。

按照目前1 000m以內(nèi)油、水井小修作業(yè)每口井平均作業(yè)時(shí)間在10h以內(nèi)計(jì)算，每年可多施工18口井。

4.3 安全效果評(píng)價(jià)

1） 防傾翻裝置代替風(fēng)載繃?yán)K，經(jīng)理論計(jì)算可承受12級(jí)大風(fēng)井架不傾翻。

2） 采用電子防傾翻報(bào)警儀，實(shí)時(shí)顯示各支腿受力情況，及時(shí)自動(dòng)報(bào)警，保證了設(shè)備平衡穩(wěn)定。

3） 采用電子防碰裝置，當(dāng)提升高度超過(guò)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)剎車，保證提升作業(yè)施工的安全性。

4） 安全照明采用防爆燈具，保證夜間照明及施工安全。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)在減少井場(chǎng)作業(yè)面積、降低使用者勞動(dòng)強(qiáng)度、減少作業(yè)成本、提高作業(yè)效率方面具有較大的發(fā)展空間。目前，XJ150型無(wú)風(fēng)載繃?yán)K修井機(jī)已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并在新疆油田得到廣泛應(yīng)用。

［1］ 馬林昌.無(wú)繃?yán)K修井機(jī)穩(wěn)定性仿真分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（9）：53－56.

［2］ 高學(xué)仕，李 鉞，戴 揚(yáng)，等.修井機(jī)井架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2002，31（4）：12－15.

［3］ 孫松堯，史懷忠，陳江榮，等.井架強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（3）：30－32.

［4］ 梁會(huì)高，陳 俊.基于StruCAD－3D的旅大4－2海洋修井機(jī)井架設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（5）：67－70.

［5］ 王峻喬，周思柱，李建平.基于StruCAD＊3D的直立套裝自升井架計(jì)算分析［D］.上海：中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所，2000.

［6］ 宋嗣新.無(wú)繃?yán)K修井機(jī)關(guān)鍵部件有限元分析及穩(wěn)定性研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

Development and Application of XJ150Workover Rig without Guy Rope

YANG Wen－xin1，CAO Li－ming2，WANG Jian－gang1，WANG Bin－h(huán)u1，LI Pei－jiang1
（1.Downhole Technique Company，Xinjiang Oilfield Company，Karamay834000，China；2.The Fourth Petroleum Machinery Factory，Jianghan Petroleum Administration Bureau，Jingzhou434000，China）

To meet the requirement of workover treatment in marshland，desert and well populated area and to accelerate the construction progress，a self－propelled workover rig without guy rope was designed.This text presents its working principle and key technology，the application effects is analysed statistically.Now the work over has been fully applied in Xinjiang Oilfield.

mast type mast；guy rope；workover rig

1001－3482（2012）03－0065－04

TE935

A

2011－09－28

楊文新（1961－），男，新疆克拉瑪依人，工程師，主要從事石油裝備管理工作，E－mail：fw3－wangjg＠petrochina.com.cn。